CC BY
48
годы превышает предложение, так как хоть и запасы их сосредоточены по всему миру, но не везде их добыча экономически оправдана. На данный момент, как указывает Давыдов Г.И., самым крупным экспортером редкоземельных элементов является Китай, монопольно удовлетворяющий ежегодную потребность в этих металлах (около 135 тысяч тонн).
В заключение, развитие редкоземельной отрасли в республике позволит вывести промышленность Казахстана на качественно новый технический уровень; в статье предложено уделить внимание, в частности, промышленности редкоземельных элементов, запасы которых находятся в основном на востоке и в центре Казахстана.
Резюме. Сделан обзор и исследована важность развития редкоземельной отрасли промышленности.
Summary. The importance of the development of rare earth industry was investigated and reviewed.
Литература
1. Давыдов Г.И., Студенцов В.В., Абишев Д.Н., Петров А.А. «Извлечение редкоземельных металлов из полиметаллических руд и техногенного сырья», 1998, с.7.
2. ИА Новости-Казахстан от 25 декабря 2012 года.
3. Журнал «Мосты», март 2012, Выпуск 1
Хентов В.Я
Профессор, доктор химических наук, Южно-Российский государственный политехнический университет имени М.И.
Платова
ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И ПРОЧНОСТЬ ТВЕРДОГО ТЕЛА
Аннотация
Показано, что прочностные характеристики твердого тела связаны с энергией химической связи. Теоретическая прочность во много раз превышает технологическую прочность. Это проявляется для материалов неметаллической природы, содержащих неполярные ковалентные связи.
Ключевые слова: Химическая связь, теоретическая и технологическая прочность, закон Гука, дислокации, модуль упругости Юнга
Khentov V.Ya
South-Russian State Polytechnic University named after M. Platov
CHEMICAL BOND AND STRENGTH OF SOLIDS
Abstract
Shows that the strength properties of solid body are connected with the energy of the chemical bond. Theoretical strength is many times higher than the technological strength. This is for non-metallic materials of nature, containing nepolarnye covalent bonds.
Keywords: chemical bond, theoretical and technological strength, Hooke's law, dislocation, Young's modulus of elasticity
Представление о химической связи является основополагающим в учении о строении вещества. С материаловедческой точки зрения представляется интересным рассмотрение роли химической связи в связи проблемой прочности твердого тела. Прочность - это сопротивляемость твердого тела разрушению, определяемая характером химической связи и дефектами кристаллической решетки, в первую очередь - дислокациями. Дислокации несут ответственность за появление микротрещин, предшествующих процессу разрушения.
Экспериментально наблюдаемая картина растяжения твердого тела (зависимость напряжения P, приложенного к твердому телу, от относительного удлинения тела Е) представлена на рис. 1. Участок кривой АВ соответствует области упругой деформации и подчиняется закону Гука:
P = ЕЕ
где P - напряжение; Е = Al/l - относительное удлинение; l - первоначальная длина тела; Al - приращение длины тела при приложенной нагрузке; Е - коэффициент пропорциональности, получивший название модуля упругости Юнга.
Рис. 1. Диаграмма растяжения твердого тела
Закон Г ука действует до определенного предела напряжения P, называемого пределом упругости. В области АВ дислокации остаются в покое. В области ВС наблюдается пластическая деформация или текучесть (перемещение одной плоскости относительно другой). Дислокации приобретают подвижность. Снятие нагрузки не приводит к первоначальному состоянию в кристалле.
При пластической деформации накопление дислокаций начинает тормозить их движение. Кристалл деформирован, но происходит его упрочнение (область CD). При дальнейшем росте нагрузки напряжения концентрируются в зоне дислокаций. Появляется микротрещина. Незначительное повышение напряжения раскалывает кристалл. Такое напряжение называют пределом прочности.
Тип химической связи определяет способность кристалла к пластической деформации или хрупкому разрушению.
В кристаллах с ковалентной связью (атомной решеткой) незначительное смещение атомов друг относительно друга приводит к тому, что связи разрушаются быстрее, чем образуются новые. К таким кристаллам относятся алмаз, германий, мышьяк и др. Они после достижения предела упругости подвержены хрупкому разрушению. Такие кристаллы не проявляют пластической деформации.
В кристаллах с металлической связью, не имеющей строгой направленности, проявляется высокая пластичность. Перемещение атомов друг относительно друга в пределах плоскости скольжения не приводит к разрушению металлической связи, а смещение плоскостей может происходить на расстояние до нескольких тысяч атомных расстояний.
Кристаллы с ионной связью занимают промежуточное положение. Они могут быть подвержены как хрупкому разрушению, так и пластической деформации.
52
Особый интерес вызывает расчет теоретической прочности твердого тела. Допустим, что на стержень длиной L и поперечным сечением S действует внешняя растягивающая сила F (рис. 2). При этом стержень удлиняется на величину AL, а
X
расстояние между ближайшими атомными плоскостями 1 и 2 увеличится на величину •/V .
Внешняя сила F должна быть уравновешена внутренней силой
F
ВН
Для расчета внутренней силы необходимо знать
количество химических связей п, пронизывающих площадь сечения стержня, а также силу f действующую между соседними частицами кристаллической решетки. Тогда:
F
ВН = fn= pxn,
где в - параметр, характеризующий жесткость связи между двумя частицами. Фактически - это величина пропорциональная энергии химической связи.
Определим напряжение, возникающее при растягивании стержня:
FBH pxn
P
S
S (i)
Умножим и поделим правую часть уравнения (1) на расстояние между атомными плоскостями а:
ав п x
P =
S
a
Первый сомножитель этого уравнения называется модулем упругости Юнга:
E = ав п ~ S
Второй сомножитель называется относительным удлинением стержня:
е = Ха
Зависимость между Р и е (Р = Ее) получила название закона Гука
Коэффициент пропорциональности Е (угол наклона) характеризует прочностные характеристики твердого тела, которые определяются его химической природой.
Модуль упругости пропорционален энергии химической связи. На рис. 3 для 27 s-, p- и d-элементов различных групп периодической системы (Li, Na, K, Be, Mg, Ca, Al, Ge, In, Sn, Sb, Pb, Bi, Ti, V, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, Ag, Cd, Hf, Ta, W, Os) приведена зависимость модуля упругости Юнга [1, 2] от энергии связи элементов {/связи [3]. Под энергией связи подразумевается энергия, которую нужно затратить для разделения твердого тела на отдельные атомы при температуре 0 К. Эта зависимость описывается линейным уравнением:
Е = -4,4241 + 0,2068исвязи
Необходимо отметить, что это неплохой результат, поскольку с коэффициентом корреляции близким к единице описываются парные зависимости только для однотипных элементов. Например, зависимость изотермического объемного модуля упругости В от энергии связи элементов /связи для s-элементов I группы прекрасно описывается уравнением (коэффициент корреляции 0,99, уровень значимости 0,0016):
В = -0,0711 + 0,005 Ucm
Коэффициент корреляции 0,78, уровень значимости 0,000002
53
При расчете прочности кристалла будем исходить из того, что при разрушении твердого тела по плоскости сечения происходят разрывы химических связей между частицами, находящимися в узлах кристаллической решетки.
Найдем работу разрыва одной связи A = FT, где F - сила притяжения между соседними узлами решетки; l - расстояние, на которое необходимо раздвинуть две плоскости, чтобы перестала действовать сила притяжения между соседними узлами решетки. Это расстояние оценивается в 1 А и соответствует длине химической связи.
Работу образования двух поверхностей можно вычислить следующим образом:
AS = An,
где n - число связей, пронизывающих площадь сечения стержня. Найдем поверхностную энергию:
1 1
а = 2 AS = 2 Fln
Найдем напряжение, необходимое для раскрытия микротрещины:
Р = — l
P = Fn
Для упрощения расчетов значение l может быть принято равным параметру кристаллической решетки а. Тогда:
P =
2а
а
В качестве примера рассчитаем поверхностное натяжение и прочность ионного кристалла хлорида натрия. Параметр а = 2,78 А. Из геометрических соображений, что на площади в 1 м2 располагается n = 1/а2 = 1,3-1019 ионов. Такое же количество связей пронизывает плоскость сечения. Силу взаимодействия двух зарядов аниона и катиона рассчитаем в соответствии с законом Кулона:
F = e2/sa2
где а - величина элементарного заряда (1,602 10-19 Кл). Для разрыва одной связи F = 2,98-10-9 Н. Таким образом, а = 1,931 Па, Р = 3,9108 Па.
Если принять, что упругая энергия твердого тела в момент разрушения равна APs, то прочность (напряжение) может быть рассчитана через модуль упругости Юнга. Тогда APs = 2а. Для упругого тела в соответствии с законом Гука имеем:
P =s/aE
Из двух последних уравнений получим:
Р = (2Еа/а)1/2 (2)
Уравнение (2) позволяет рассчитать теоретическую прочность твердого тела. В табл. 1 приведены значения теоретической прочности твердого тела на разрыв, рассчитанные по уравнению (2) и технологической прочности.
__________Таблица 1 Теоретическая Ртеор и технологическая Ртехн прочность неорганических материалов [4, 5]_
Материал Ртеор, кг/см2 Ртехн, КГ/см Р /Р 1 теор'^ техн
Железо 180 69 2,6
Медь 94 21 4,5
Алюминий 51 10 5,1
Бор 250 7 35,7
Графит 500 2 250,0
Корунд (AI2O3) 500 2 250,0
Обращает на себя внимание тот факт, что теоретическая прочность во много раз превышает технологическую прочность. Теоретическая прочность неорганических материалов неметаллической природы существенно превышает теоретическую прочность металлов. Это объясняется более высокой прочностью ковалентных неполярных химических связей по сравнению со связью металлической.
Литература
1. Таблицы физических констант. / Сост.: Н.И. Доброннравов, Я.Г. Дорфман, А.Н. Загулин и др. - М.-Л.: Госиздат, 1928. -280 с.
2. Кей Дж., Лэби Т.Л. Таблицы физических и химических постоянных. - М.: Г осиздат физ.-мат. лит-ры, 1962. - 206 с.
3. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. - М.: Наука, 1978. - 791 с.
4. Келли А. Волокнисто-упрочненные материалы. // Физика твердого тела. - М., 1972. - С. 92-103.
5. Хентов В.Я.. Инженерная химия: учеб. пособие. / В.Я. Хентов; Новочерк. политехи. ин-т. Новочеркасск, 1992. - 140 с.
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ / BIOLOGICAL SCIENCES
Анисимов Р.Н.
Магистрант 1 года обучения, Национальный исследовательский Томский государственный университет КОЛИЧЕСТВО НЕПЕРАБОТАННЫХ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ КАК ОДИН ИЗ КЛЮЧЕВЫХ ИНДИКАТОРОВ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ
Аннотация
В статье рассмотрено - понятие индикаторов устойчивого развития, внедрение индикаторов устойчивого развития на территории Томской области и динамика одного из ключевых индикаторов региона в период с 2008 по 2012 год, а также его значение в концепции устойчивого развития Томской области.
Ключевые слова: устойчивое развитие, индикатор, отходы производства и потребления.
Anisimov R.N.
Student, National Searching Tomsk State University
AMOUNT OF UNRECYCLED PRODUCTION AND CONSUMPTION WASTES AS ONE OF THE KEY INDICATORS OF SUSTAINABLE DEVELOPMENT IN TOMSK REGION
Abstract
The article considers the concept of sustainable development indicators, the implementation of sustainable development indicators in the Tomsk region and the dynamics of one of the key indicators of the region in the period from 2008 to 2012 and its importance in the concept of sustainable development of the Tomsk region.
54
